嵌入式系統(tǒng)psoc1例程

嵌入式系統(tǒng)徐迎暉yhhsu@139.combeddedSystem課程意義課程設(shè)置的必要性：電子產(chǎn)品應(yīng)用需求越來越復(fù)雜微處理器技術(shù)快速發(fā)展嵌入式技術(shù)成為核心教學內(nèi)容與目標：理解嵌入式系統(tǒng)的概念和基本要素掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基本方法實踐嵌入式系統(tǒng)項目的開發(fā)流程為深入開展嵌入式系統(tǒng)相關(guān)項目奠定基礎(chǔ)嵌入式課程體系本課程內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識：

概述、硬件、軟件、開發(fā)方法

PSoC5LP開發(fā)板：

基礎(chǔ)知識、小實驗

μC/OS-III嵌入式實時操作系統(tǒng)：

基礎(chǔ)知識、小實驗項目開發(fā)基礎(chǔ)：大實驗

成績評定平時實驗（40%）：4個小實驗，報告+設(shè)計文件大實驗（20%）：1個綜合設(shè)計性實驗期末考試（40%）：筆試開卷，基礎(chǔ)知識+實驗過程中的知識第一講嵌入式系統(tǒng)概述1.嵌入式系統(tǒng)基本概念2.嵌入式系統(tǒng)特點3.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展4.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用5.嵌入式系統(tǒng)組成6.嵌入式處理器7.嵌入式操作系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述一嵌入式系統(tǒng)基本概念第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一階段：始于五十年代的由IBM,Burroughs,Honeywell等公司率先研制的大型機。第二階段：始于七十年代的個人計算機。第三階段：計算機正邁入下一個充滿機遇的階段——“后PC時代”或“無處不在的計算機”階段。計算機發(fā)展的三大階段全世界的計算機科學家正在形成一種共識:

計算機不會成為科幻電影中的那種貪婪的怪物,而是將變得小巧玲瓏,無處不在。他們藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能強大,卻又無影無蹤。人們將這種思想稱為:“無所不在的計算機”。

無所不在彼此互連顯示器主機鼠標鍵盤諸如主機、顯示器、鍵軟件看得見的計算機：如PC、服務(wù)器、大型計算機SmartDust（智能塵埃）http:///~pister/SmartDust/

1mm3的計算機密歇根州大學

“提到CPU我們很直覺地會聯(lián)想到PC，但事實上CPU的應(yīng)用領(lǐng)域、范圍及采用的數(shù)量都遠遠超過PC的范圍。以數(shù)量來看，x86的CPU，包含Intel及AMD公司所生產(chǎn)的，加起來也抵不過其它種類CPU總消耗量的0.1%(其中應(yīng)用數(shù)量最大的是在嵌入式系統(tǒng))。數(shù)量之大說明了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的范圍之廣。這也意味沒有什么所謂典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。嵌入式CPU還包括微控制器及信號處理器等等”。－JimTurley@2000嵌入式系統(tǒng)國際會議

CPU——計算機的核心嵌入式系統(tǒng)的定義第一講嵌入式系統(tǒng)概述IEEE:

Embeddedsystemsaredevicesusedtocontrol,monitororassisttheoperationofequipment,machineryorplant.Theterm"embedded"meansthattheyareanintegralpartofthesystem.Theyaremicroprocessorsorincludemicroprocessors,butdon'tresemble"classic"computers.Theyareeithersingleormultipurposecomputerizeddevicesliterallyembeddedintolargerpieceofequipmentorproductandcanbeusedtoprocessdatarelatedinformation.

Embeddedsystemsareusedinequipment,devicesandmachineryfoundinhomes,hospitals,buildings,plants,facilitiesandcomputersystems.第一講嵌入式系統(tǒng)概述簡單地講·嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求·專用性：軟、硬件按對象要求裁減·計算機：實現(xiàn)對象的數(shù)據(jù)處理及智能化功能就是嵌入到對象體中的專用計算機系統(tǒng)三要素：嵌入、專用、計算機嵌入式系統(tǒng)的特點:由三要素引出第一講嵌入式系統(tǒng)概述廣義地說一個嵌入式系統(tǒng)就是一個具有特定功能或用途的計算機軟硬件集合體。即以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的最高形式——片上系統(tǒng)（SOC）第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的分類▲芯片級嵌入（含程序或算法的處理器）▲模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊）▲系統(tǒng)級嵌入按表現(xiàn)形式分（硬件范疇）：正成為主流發(fā)展趨勢高度復(fù)雜的、高速的嵌入式系統(tǒng)已開始采用目前已大量應(yīng)用▲8位嵌入式系統(tǒng)▲16位嵌入式系統(tǒng)▲32位嵌入式系統(tǒng)▲64位嵌入式系統(tǒng)按處理器位數(shù)分（硬件范疇）：▲硬實時系統(tǒng)：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴格的要求，如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，就要引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。

（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）▲軟實時系統(tǒng)：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。

（消費類產(chǎn)品）按確定性要求分（軟件范疇為主）：▲強實時系統(tǒng)：其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級?！话銓崟r系統(tǒng)：其系統(tǒng)響應(yīng)時間在秒級,其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些?！鯇崟r系統(tǒng)：其系統(tǒng)響應(yīng)時間更長。這種系統(tǒng)的響應(yīng)時間可能隨系統(tǒng)負荷的輕重而變化。按處理速度分（軟件范疇為主）：▲循環(huán)輪詢系統(tǒng)▲有限狀態(tài)機系統(tǒng)▲前后臺系統(tǒng)▲單處理器多任務(wù)系統(tǒng)▲多處理器多任務(wù)系統(tǒng)按嵌入式系統(tǒng)軟件復(fù)雜程度分：信息家電類移動終端類通信類汽車電子類工業(yè)控制類按應(yīng)用來分：第一講嵌入式系統(tǒng)概述二嵌入式系統(tǒng)特點

由于嵌入式系統(tǒng)是應(yīng)用于特定環(huán)境下，針對特定用途來設(shè)計的系統(tǒng)，所以不同于通用計算機系統(tǒng)。

它的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，“量體裁衣”、去除冗余，力爭在較少的資源上實現(xiàn)更高的性能。它與通用的計算機系統(tǒng)相比具有以下顯著特點：(1).專用性強

嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)的硬件的變化和增減不斷進行修改。同時，針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改。第一講嵌入式系統(tǒng)概述(2).系統(tǒng)精簡嵌入式系統(tǒng)通?！扒度搿钡綄ο蟮捏w系中，其軟硬件系統(tǒng)都必須高效率地設(shè)計，在保證穩(wěn)定、安全、可靠的基礎(chǔ)上量體裁衣、去除冗余，確保系統(tǒng)具有低功耗、小體積、高集成度和低成本等優(yōu)勢，力爭用較少的軟硬件資源實現(xiàn)較高的性能。(4).高可靠性嵌入式系統(tǒng)一般要求具有出錯處理和自動復(fù)位功能，特別是對于一些在極端環(huán)境下運行的嵌入式系統(tǒng)而言，其可靠性設(shè)計尤其重要。在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中一般都包括一些機制，如看門狗定時器，內(nèi)存保護和重啟動機制。(3).高實時性高實時性是嵌入式軟件的常見要求，而且軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性，必須固化存儲，以提高代碼執(zhí)行速度和可靠性。第一講嵌入式系統(tǒng)概述(5).操作系統(tǒng)內(nèi)核小、可裁剪、實時可靠、可固化

由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小很多。如Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB，而Windows的內(nèi)核則要大很多。(6).開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境的專用性

嵌入式系統(tǒng)本身一般不具備自主開發(fā)能力，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設(shè)備和各種儀器設(shè)備。開發(fā)時往往有宿主機和目標機的概念，宿主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進行。(7).關(guān)注成本嵌入式系統(tǒng)通常需要注意的成本是系統(tǒng)成本，特別是量大的消費類數(shù)字化產(chǎn)品，其成本是產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵因素之一。嵌入式系統(tǒng)的成本包括:一次性的開發(fā)成本NRE(Non-RecurringEngineering)成本產(chǎn)品成本：硬件BOM、外殼包裝和軟件版稅等批量產(chǎn)品的總體成本=NRE成本+每個產(chǎn)品成本*產(chǎn)品總量每個產(chǎn)品的最后成本=總體成本/產(chǎn)品總量=NRE成本/產(chǎn)品總量+每個產(chǎn)品成本三嵌入式系統(tǒng)發(fā)展第一講嵌入式系統(tǒng)概述無操作系統(tǒng)階段嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機的，大多以可編程控制器的形式出現(xiàn)，具有監(jiān)測、伺服、設(shè)備指示等功能，通常用于各類工業(yè)控制和飛機、導(dǎo)彈等武器裝備中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，只能通過匯編語言對系統(tǒng)資源的直接控制，運行結(jié)束后再清除內(nèi)存。這些裝置雖然已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點，但僅僅只是使用8位的CPU芯片來執(zhí)行一些單線程的程序，因此嚴格地說還談不上"系統(tǒng)"的概念。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格低廉，因而在工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。但卻無法滿足現(xiàn)今對執(zhí)行效率、存儲容量都有較高要求的信息家電等場合的需要。

第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述簡單操作系統(tǒng)階段

20世紀80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設(shè)計的微處理器，并一舉成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中異軍突起的新秀。與此同時，嵌入式系統(tǒng)的程序員也開始基于一些簡單的“操作系統(tǒng)”開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件，大大縮短了開放周期、提高了開放效率。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：出現(xiàn)了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU(如PowerPC等)。各種簡單的嵌入式操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展，用于控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應(yīng)用程序的運行，初步具備了一定的兼容性和擴展性，內(nèi)核精巧且效率高。第一講嵌入式系統(tǒng)概述實時操作系統(tǒng)階段

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步飛速發(fā)展，而面向?qū)崟r信號處理算法的DSP產(chǎn)品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：操作系統(tǒng)的實時性得到了很大的改善，具有高度的模塊化和可擴展性，能夠運行在各種不同類型的微處理器上。此時的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設(shè)備管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面(GUI)等功能，并提供了大量的應(yīng)用程序接口(API)，從而使得應(yīng)用程序的開發(fā)變得更加簡單。第一講嵌入式系統(tǒng)概述面向Internet階段

21世紀無疑是一個網(wǎng)絡(luò)的時代，隨著Internet的進一步發(fā)展，以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)擴展技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合是嵌入式技術(shù)的真正未來。信息時代和數(shù)字時代的到來，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的機遇，同時也對嵌入式系統(tǒng)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。目前，嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合正在推動著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用產(chǎn)生了如下新的顯著變化：

(1).新的微處理器層出不窮，嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加便于移植，能夠在短時間內(nèi)支持更多的微處理器；

(2).嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成了一項系統(tǒng)工程，開發(fā)商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包；第一講嵌入式系統(tǒng)概述(3).通用計算機上使用的新技術(shù)、新概念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，如嵌入式數(shù)據(jù)庫、移動代理、實時CORBA等，嵌入式軟件平臺得到進一步完善；(4).各類嵌入式Linux操作系統(tǒng)迅速發(fā)展，由于具有源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點，很適合信息家電等嵌入式的需要；(5).網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著Internet技術(shù)的成熟和寬帶的提高而日益突出，以往單一功能的設(shè)備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢；(6).精簡系統(tǒng)內(nèi)核，優(yōu)化關(guān)鍵算法，降低功耗和軟硬件成本；(7).提供更加友好的多媒體人機交互界面。第一講嵌入式系統(tǒng)概述四嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域

社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了新的需求，同時促進了嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用。中國成為世界制造大國，在工業(yè)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軍事國防、消費電子……等領(lǐng)域都有嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式技術(shù)刺激了許多新的應(yīng)用需求嵌入式技術(shù)發(fā)展又在不斷刺激新的技術(shù)產(chǎn)生－信息家電、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器……消費電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子影音設(shè)備移動存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)第一講嵌入式系統(tǒng)概述工業(yè)控制工業(yè)設(shè)備過去在工業(yè)過程控制、數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設(shè)備主要采用的是８位單片機。隨著技術(shù)發(fā)展，目前許多設(shè)備除了進行實時控制，還須將設(shè)備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。第一講嵌入式系統(tǒng)概述通信設(shè)備應(yīng)用示例——手機中的嵌入式系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述手機（三星S500）中的嵌入式系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述手機（YAKUMO）中的嵌入式系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述信息家電只有按鈕、開關(guān)的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。具有用戶界面，能遠程控制、智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢，如冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化等。第一講嵌入式系統(tǒng)概述智能儀表遠程數(shù)據(jù)采集終端第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述消費類電子智能消費類產(chǎn)品坐姿測試椅[MIT]仿生運動鞋[Adidas]情緒類裝飾品[NYU]

第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述交通管理、環(huán)境監(jiān)測

交通管理：車輛導(dǎo)航、視頻監(jiān)控、流量控制、高速收費、停車場管理……目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓家庭。

環(huán)境監(jiān)測：水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染PM2.5監(jiān)測。第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述智能玩具與機器人第一講嵌入式系統(tǒng)概述高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

響應(yīng)周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通智能機器魚第一講嵌入式系統(tǒng)概述電源子系統(tǒng)CPLD脈寬調(diào)制系統(tǒng)單片機伺服電機組仿水魚外皮魚體骨架小魚子系統(tǒng)的實物圖工控機不能直接應(yīng)用。單板機很難實時處理多任務(wù)，檢測、控制、協(xié)調(diào)、通訊等。第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式Internet應(yīng)用第一講嵌入式系統(tǒng)概述汽車電子（VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò),18個嵌入式控制模塊）馬達控制器車燈尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述軍事國防領(lǐng)域阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶12架攝像機，發(fā)揮了很好作用。微型飛行器---“黑寡婦”第一講嵌入式系統(tǒng)概述6英尺、80g（2克相機、2克視頻發(fā)射機、5克無線電控制系統(tǒng)與、0.5克驅(qū)動裝置）1.8公里通信距離30分鐘續(xù)航第一講嵌入式系統(tǒng)概述航天領(lǐng)域第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢互聯(lián)網(wǎng)的普及半導(dǎo)體技術(shù)的改善3C（Computer,Communication,ConsumerElectrics）技術(shù)的快速融合滿足使用者的大量需求信息服務(wù)應(yīng)用生活化可穿戴式應(yīng)用第一講嵌入式系統(tǒng)概述技術(shù)的滲透性和融合性第一講嵌入式系統(tǒng)概述設(shè)備的關(guān)聯(lián)性第一講嵌入式系統(tǒng)概述AnyTime,AnyWhere,AnyMedium,AnyContent第一講嵌入式系統(tǒng)概述五嵌入式系統(tǒng)組成

一般而言，嵌入式系統(tǒng)的組成架構(gòu)可以分成三層，四個部分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。嵌入式硬件平臺嵌入式處理器嵌入式外圍設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口

操作系統(tǒng)與硬件的接口四層結(jié)構(gòu)也常見：嵌入式硬件平臺、硬件抽象層（HAL）、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序。嵌入式硬件平臺硬件抽象層（HAL）應(yīng)用程序嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口操作系統(tǒng)與HAL的接口HAL與硬件的接口第一講嵌入式系統(tǒng)概述增加硬件抽象層HAL（HardwareAbstractionLayer）也稱為板級支持包BSP（BoardSupportPackage），主要目的是屏蔽下層硬件，使操作系統(tǒng)不再直接面對具體的硬件環(huán)境。HAL通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作。HAL的引入大大推動了嵌入式系統(tǒng)的通用化，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述典型嵌入式系統(tǒng)組成應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件硬件第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的核心部件，大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。嵌入式處理器包括：低端的嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)中高端的嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU)用于計算機通信領(lǐng)域的嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP)高度集成的嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SOC)嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從CISC(復(fù)雜指令集)到RISC(精簡指令集)和CompactRISC的轉(zhuǎn)變，位數(shù)則由4位、8位、16位、32位逐步發(fā)展到64位。第一講嵌入式系統(tǒng)概述目前，幾乎每個大的半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)也有30多個系列，其中以ARM、PowePC、X86、MIPS等使用得最為廣泛。第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式外圍設(shè)備在嵌入式系統(tǒng)的硬件中，除了中央控制部件(MCU、DSP、EMPU、SOC)以外，用于完成存儲、通信、顯示等配套功能的其它硬件部件，都可以算作嵌入式外圍設(shè)備。常用的嵌入式外圍設(shè)備按功能可分為：存儲設(shè)備、通信設(shè)備和顯示設(shè)備三大類。第一講嵌入式系統(tǒng)概述目前存在的絕大多數(shù)通信接口都可以直接應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，包括UART接口(通用異步串行通信接口)、IrDA(紅外線接口)、SPI(串行外圍設(shè)備接口)、I2C(INTER

IC

總線接口)、USB(通用串行總線接口)、Ethernet(以太網(wǎng)接口)、CAN(現(xiàn)場總線)等。對于嵌入式系統(tǒng)中的顯示設(shè)備，根據(jù)應(yīng)用場合的特點，通常使用的是數(shù)碼管(LED)、液晶顯示器(LCD)和觸摸顯示屏(TouchPanel)等顯示設(shè)備。存儲設(shè)備主要用于各類數(shù)據(jù)的存儲，常用的有靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)、動態(tài)存儲器(DRAM)和非易失存儲器(ROM、UVEPROM、EEPROM、FLASH)三種，其中FLASH憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。硬件抽象層HAL硬件抽象層通過HAL接口向操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供對抽象后的硬件的服務(wù)。它是一套軟件。

板級支持包(BSP)是商用嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)可移植性所采用的一種方案，是硬件抽象層的一種實現(xiàn)。BSP是介于硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動層程序之間的一層，有時也可認為屬于操作系統(tǒng)一部分。BSP實現(xiàn)了對操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。

BSP隔離了所支持的嵌入式操作系統(tǒng)與硬件平臺之間的相關(guān)性，使操作系統(tǒng)通用于BSP所支持的硬件平臺，實現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性、跨平臺性、通用性和復(fù)用性。第一講嵌入式系統(tǒng)概述不同的操作系統(tǒng)要求不同定義形式的BSP

例如，對同一個CPU來說，要實現(xiàn)同樣的功能，VxWorks的BSP和Linux的BSP的寫法和接口定義完全不同。

BSP一定要按照具體操作系統(tǒng)BSP的定義形式來寫（或在某個成型的BSP模板上修改），保障與上層操作系統(tǒng)的正確接口，良好地支持上層操作系統(tǒng)。BSP直接操作硬件，因此不同的板卡、不同的硬件配置將不同程度地影響B(tài)SP。第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)為了使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)更加方便和快捷，需要有專門負責管理存儲器分配、任務(wù)調(diào)度、中斷處理等功能的軟件模塊，這就構(gòu)成了嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應(yīng)用的系統(tǒng)軟件，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括系統(tǒng)內(nèi)核、硬件相關(guān)的底層驅(qū)動程序、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形用戶界面等。第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，能夠?qū)τ布M行抽象，能夠提供庫函數(shù)，驅(qū)動程序、開發(fā)工具等。但與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應(yīng)用專業(yè)性等方面具有著鮮明的特點。嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場合可分為兩大類：一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng)，這類設(shè)備包括個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話、機頂盒(STB)等；另一類則是面向控制、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域的實時操作系統(tǒng)，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX等。

實時系統(tǒng)是一種能夠在指定或者確定時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能，并且對外部和內(nèi)部事件在同步或者異步時間內(nèi)能作出及時響應(yīng)的系統(tǒng)。第一講嵌入式系統(tǒng)概述第一講嵌入式系統(tǒng)概述應(yīng)用程序應(yīng)用程序(APP)是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件和操作系統(tǒng)平臺，用來達到用戶預(yù)期目標的計算機上層軟件。由于用戶任務(wù)可能有時間和精度上的要求，因此，有些嵌入式應(yīng)用程序需要特定嵌入式操作系統(tǒng)的支持。嵌入式應(yīng)用程序和普通應(yīng)用程序有一定的區(qū)別，不僅要求它在準確性、安全性和穩(wěn)定性等方面滿足實際應(yīng)用的需要，而且還要盡可能地進行優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。第一講嵌入式系統(tǒng)概述六嵌入式處理器目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)包括MCU、MPU等類型的30多個系列。從單片機、DSP到FPGA，品種越來越多，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。第一講嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式處理器一般具有以下四個特點：

對實時多任務(wù)操作系統(tǒng)具有很強的支持能力。能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減小到最低程度;處理器結(jié)構(gòu)可擴展。能夠快速開發(fā)出滿足各種應(yīng)用和高性能的嵌入式處理器;具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)一般為模塊化，為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件故障診斷;

低功耗。尤其是在便攜式的無線及移動計算和通信設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中，其功耗可以達到mW級，甚至uW級。第一講嵌入式系統(tǒng)概述

近年來，嵌入式處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯，出現(xiàn)了專業(yè)的IP(IntellentualPropertyCore,知識產(chǎn)權(quán)核)供應(yīng)商，如ARM、MIPS等，他們通過提供優(yōu)質(zhì)、高性能的嵌入式微處理器內(nèi)核，由各個半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)面向各個應(yīng)用領(lǐng)域的芯片。嵌入式處理器通常分為四類：嵌入式處理器嵌入式微控制器MCU嵌入式微處理器MPU嵌入式DSP處理器DSP嵌入式片上系統(tǒng)SOC第一講嵌入式系統(tǒng)概述MCU嵌入式微控制器的典型代表是8位單片機，目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、I/O口、定時/計數(shù)器、串行通信口、A/D、D/A、看門狗等各種常用功能和外設(shè)。第一講嵌入式系統(tǒng)概述MCU處理能力有限

MCU微控制器，數(shù)據(jù)總線寬度一般為8位或16位，處理速度有限，一般在幾個~幾十個MIPS，進行一些復(fù)雜的應(yīng)用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難。第一講嵌入式系統(tǒng)概述MPUMPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，80386－80387與通用計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。第一講嵌入式系統(tǒng)概述DSPDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令體系方面進行了針對常用信號處理算法所需的特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP是運算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運行操作系統(tǒng)，核心代碼有時使用匯編。第一講嵌入式系統(tǒng)概述SOCSOC（片上系統(tǒng)）是IC設(shè)計的發(fā)展趨勢。采用SOC設(shè)計技術(shù)，可以大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，降低系統(tǒng)成本，極大地提高系統(tǒng)的性能價格比。SOC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計算、多媒體應(yīng)用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。第一講嵌入式系統(tǒng)概述SOPC用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是硬件可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級。用可編程邏輯技術(shù)可實現(xiàn)一個內(nèi)嵌的小型CPU，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。ARM處理器簡介ARM，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，其主要業(yè)務(wù)是設(shè)計16位和32位的嵌入式處理器。該公司設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC（精簡指令集）處理器。ARM（AdvancedRISCMachines）處理器是當今最流行的一類微處理器（之一）。將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...ARM公司只做設(shè)計，本身并不生產(chǎn)和銷售芯片，而是采用技術(shù)授權(quán)的方式，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM處理器芯片進入市場。中部的這些公司就是和ARM公司合作最緊密的公司，他們都是些半導(dǎo)體公司，也是ARM的直接客戶。提供運作環(huán)境的。為ARM提供開發(fā)工具的。為ARM提供操作系統(tǒng)的。提供ARM培訓(xùn)和認證的。為ARM提供設(shè)計工具的。是ARM公司的應(yīng)用伙伴。ARM處理器的特點體積小、低功耗、低成本、高性能支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高采用固定長度的指令格式

ARM處理器的發(fā)展歷程

●第一片ARM處理器是1983年10月到1985年4月間在位于英國劍橋的AcornComputer公司開發(fā)。

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1990年，為廣泛推廣ARM技術(shù)而成立了獨立的公司。

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20世紀90年代，ARM快速進入世界市場。性能功能和兼容性Cortex-M0Cortex-M1Cortex-M3Cortex-M4Cortex-R4Cortex-A5Cortex-A8Cortex-A9Cortex-A15ARM7ARM9ARM11古典ARM處理器嵌入式Cortex處理器應(yīng)用程序Cortex處理器ARM不同系列處理器性能之間關(guān)系版本ARM處理器核心特點ARMv1ARM1該版體系結(jié)構(gòu)只在原型機ARM1出現(xiàn)過，沒有用于商業(yè)產(chǎn)品。基本性能：（1）基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法）（2）26位尋址ARMv2ARM2和ARM3該版體系結(jié)構(gòu)對ARMv1版進行了擴展，版本ARMv2a是v2版的變種，ARM3芯片采用了ARMv2a。ARMv2版增加以下功能：（1）32位乘法和乘加指令（2）支持32位協(xié)處理器操作指令（3）快速中斷模式ARM體系結(jié)構(gòu)版本及特點ARMv3ARMv3MARM6ARM7DIARM7MARMv3版體系結(jié)構(gòu)對ARM體系結(jié)構(gòu)作了較大改動：（1）尋址空間增至32位（4GB）（2）獨立的當前程序狀態(tài)寄存器CPSR和程序狀態(tài)保存寄存器SPSR，保存程序異常中斷時的程序狀態(tài)，以便于對異常的處理。（3）增加了異常中斷（Abort）和未定義兩種處理器模式（4）增加了MMU支持（5）ARMv3M增加了有符號和無符號長乘法指令A(yù)RMv4ARMv4TStrongARMARM7TDMIARM9TARMv4版體系結(jié)構(gòu)在v3版上作了進一步擴充，指令集中增加了以下功能：（1）增加了系統(tǒng)模式（2）增加了16位Thumb指令集（3）完善了軟件中斷SWI指令的功能（4）不再支持26位尋址模式ARMv5TEARMv5TEJARM9EARM10EXscaleARM7EJARM926EJARMv5版體系結(jié)構(gòu)在ARMv4版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令，包括：（1）增加ARM與Thumb狀態(tài)之間切換的指令（2）增強乘法指令和快速乘累加指令（3）增加了數(shù)字信號處理指令（ARMv5TE版）（4）增加了Java加速功能(ARMv5TEJ版）ARMv6ARM11ARMv6版體系結(jié)構(gòu)是2001年發(fā)布的，首先在ARM11處理器中使用。此體系結(jié)構(gòu)在ARMv5版基礎(chǔ)上增加了以下功能：（1）Thumb2增強代碼密度（2）SIMD增強媒體和數(shù)字處理功能（3）TrustZone提供增強的安全性能（4）IEM提供增強的功耗管理功能ARMv7Cortex系列ARMv7版體系結(jié)構(gòu)定義了3種不同的微處理器系列：（1）A系列為面向應(yīng)用的微處理器核，支持復(fù)雜操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用。（2）R系列為深度嵌入的微處理器核，針對實時系統(tǒng)應(yīng)用。（3）M系列為微控制核，針對成本敏感的嵌入式控制應(yīng)用。ARMv8ARMv8是在32位ARM架構(gòu)上進行開發(fā)的，被首先用于對擴展虛擬地址和64位數(shù)據(jù)處理技術(shù)有更高要求的產(chǎn)品領(lǐng)域。ARMv8架構(gòu)包含兩個執(zhí)行狀態(tài)：AArch64和AArch32。AArch64執(zhí)行狀態(tài)針對64位處理技術(shù)，引入了一個全新指令集A64，可以存取大虛擬地址空間，支持TrustZone技術(shù)、虛擬化技術(shù)及NEONadvancedSIMD技術(shù)等；而AArch32執(zhí)行狀態(tài)支持現(xiàn)有的ARM指令集。ARM處理器核——ARMCortex系列ARMCortex發(fā)布于2005年，為各種不同性能需求的應(yīng)用提供了一整套完整的優(yōu)化解決方案，該系列的技術(shù)劃分完全針對不同的市場應(yīng)用和性能需求。目前ARMCortex定義了三個系列：①“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；②“R”系列針對實時系統(tǒng)；③“M”系列對微控制器和低成本應(yīng)用提供優(yōu)化。ARM處理器核——Cortex-M針對價格敏感應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式處理器，只支持Thumb-2指令集，強調(diào)操作的確定性，以及性能、功耗和價格的平衡。是為對開發(fā)費用非常敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應(yīng)用（如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電）所設(shè)計的，主要面向單片機領(lǐng)域，可以說是51單片機的完美替代品。ARM是公司名稱ARM是一種處理器架構(gòu)ARM是一種標準注：“ARM核”并不是芯片，ARM核與其它部件如RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)組合在一起才能構(gòu)成現(xiàn)實的芯片。第一講嵌入式系統(tǒng)概述七嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率，改變了以往嵌入式軟件設(shè)計只能針對具體的應(yīng)用從頭做起的方式。嵌入式操作系統(tǒng)EOS(EmbeddedOS)：指運行在嵌入式系統(tǒng)中，對整個嵌入式系統(tǒng)所操作、控制的各種資源進行協(xié)調(diào)、調(diào)度和控制的系統(tǒng)軟件。

EOS負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。

EOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括系統(tǒng)內(nèi)核、與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面等。驅(qū)動程序HAL/BSP應(yīng)用程序接口（API）數(shù)據(jù)庫模塊網(wǎng)絡(luò)模塊圖形驅(qū)動OS核內(nèi)存管理任務(wù)間通信OS基本模塊擴展模塊任務(wù)調(diào)度應(yīng)用程序硬件層第一講嵌入式系統(tǒng)概述資源管理文件系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述典型的嵌入式操作系統(tǒng)(1).VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)。是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的實時操作系統(tǒng)。它支持多種處理器，如X86,i960,SunSparc,MotorolaMC68k,MIPSRX000,PowerPC,ARM等。由于其良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)重要的一席之地。

VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航等。在美國的F-16、FA-18戰(zhàn)斗機、B-2隱形轟炸機和愛國者導(dǎo)彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了VxWorks。在我國的交換通信設(shè)備上，VxWorks幾乎成了嵌入式實時操作系統(tǒng)的標準。第一講嵌入式系統(tǒng)概述(2).Nucleus

NucleusPlus是美國源代碼操作系統(tǒng)商ATI(AcceleratedTechnologyInc.)公司推出的新一代嵌入式操作系統(tǒng)，屬于搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95%的代碼使用ANSIC編寫，非常便于移植于各種處理器家族。從實現(xiàn)的角度來講，不同于傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)，NucleusPlus是以函數(shù)庫的形式鏈接到目標應(yīng)用程序中，形成可執(zhí)行目標代碼，下載到目標板上或燒到ROM/FLASHROM中去執(zhí)行。

NucleusPlus內(nèi)核在典型的CISC體系結(jié)構(gòu)上占據(jù)大約20k空間，而在典型的RISC體系結(jié)構(gòu)上占據(jù)空間為40k左右，其內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占據(jù)1.5k字節(jié)的空間。NucleusPlus以其實時響應(yīng)、搶先、多任務(wù)以及源代碼開放特性獲得在通訊、國防、工業(yè)控制、航空/航天、鐵路、網(wǎng)絡(luò)、POS、自動化控制、智能家電等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

第一講嵌入式系統(tǒng)概述(3).QNX

QNX實時操作系統(tǒng)是由位于加拿大渥太華的QNX軟件系統(tǒng)公司開發(fā)的一個針對嵌入式應(yīng)用的，可以使用在嚴實時應(yīng)用中的高可靠性微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)。能夠運行在x86,PowerPC,ARM,XScale,MIPS,SH-4等一系列硬件平臺上。它由微內(nèi)核和一組共操作的進程組成，具有高度的伸縮性,可靈活地剪裁，最小配置只占用幾十KB內(nèi)存。因此，可以廣泛地嵌入到智能機器、智能儀器儀表、機頂盒、通訊設(shè)備、PDA等應(yīng)用中去。2005年7月，QNX被應(yīng)用到NASA重返太空飛行任務(wù)中的Neptec激光攝像機系統(tǒng)中。第一講嵌入式系統(tǒng)概述

(4).WindowsCE